矿物质与腐殖质相互作用中的特殊离子效应

It has been fully verified that humus in aqueous solution is sphere-sharped particles with diameter range from 50 to 500nm, and also it has been accepted that, humus/mineral particles interactions are mainly controlled by van der Waals force, electrostatic force and bridge bond force of cations, hydrogen and chemical bonds, hydrophilic and hydrophobic forces etc.. Recent new discoveres showed that, however, those classic colloidal particles interaction theories may not correctly describe mineral/humus interactions mainly because of the specific ion effects and the inherent specifity of interactions between solid mineral particle and soft humus particle. This project will conduct the following researches: specific ion effects on surface properties of mineral and humus particles; specific ion effects on mineral/humus particles interaction forces; specific ion effects on mineral/humus particles aggregation/disersion properties and specific ion effects on mineral/humus compound stability. Based on those researches, this project will reveal the specifc ion effects on mineral/humus interactions, quantitatively characterize the intensity of specific ion effects on mineral/humus interactions, and systimatically clarify the detail processes of mineral/humus interaction and mineral/humus compound stability.

大量实验已经证实，在溶液中的胡敏酸是粒径大约为50-500nm的颗粒状物质。经典理论认为，矿物与腐殖质相互作用主要受到诸如分子力、静电力与高价离子桥键作用、氢键与化学键作用、亲水与疏水力作用等所控制。但是，最近关于胶体颗粒相互作用效应的一些新发现指出，由于特殊离子效应的存在，以及刚性的矿物和柔性的有机颗粒相互作用中自身的特殊性，使得矿物-腐殖质的相互作用可能并不符合胶体颗粒相互作用的经典理论。本项目将开展矿物质与腐殖质表面性质的特殊离子效应研究；矿物质-腐殖质之间界面各作用力的特殊离子效应研究；矿物质-腐殖质相互作用效应的特殊离子效应研究和矿物-腐殖质复合体物理稳定性的特殊离子效应研究，以期阐明矿物-腐殖质相互作用中的特殊离子效应，定量表征矿物-腐殖质相互作用中不同阳离子和不同阴离子的特殊离子效应的强度，并系统揭示基于特殊离子效应的矿物-腐殖质相互作用机制与矿物-腐殖质复合体的稳定机制。

大量实验已经证实，在溶液中的胡敏酸是粒径大约为50-500nm的颗粒状物质。经典理论认为，矿物与腐殖质相互作用主要受到诸如分子力、静电力与高价离子桥键作用、氢键与化学键作用、亲水与疏水力作用等所控制。但是，最近关于胶体颗粒相互作用效应的一些新发现指出，由于离子特异性效应的存在，以及刚性的矿物和柔性的有机颗粒相互作用中自身的特殊性，使得矿物-腐殖质的相互作用可能并不符合胶体颗粒相互作用的经典理论。本项目将开展了矿物质与腐殖质表面性质的离子特异性效应研究；矿物质-腐殖质之间界面各作用力的离子特异性效应研究；矿物质-腐殖质相互作用效应的离子特异性效应研究和矿物-腐殖质复合体物理稳定性的离子特异性效应研究。取得了如下研究结果：在理论方面，获得了土壤颗粒界面附近的非经典强诱导力这一重要发现，证实了土壤颗粒界面附近的非经典强极化效应的存在；初步阐明了矿物质-腐殖质相互作用的离子特异性效应发生的微观机制，及其对土壤团聚体稳定性和土壤流失发生的宏观效应之间的影响。在方法方面，获得了矿物质-腐殖质颗粒相互作用力的理论计算方法，进一步完善了物质表面电化学性质分析方法，建立了颗粒间凝聚的活化能、Hamaker常数、临界聚沉浓度和临界分散浓度的实验测定原理与方法，并成功地将分子动力学模拟和密度泛函分析方法应用于矿物质和腐殖质的相互作用研究之中。众所周知，土壤中的微观机制与宏观现象二者的研究长期处于割裂状态，本项目所取得的这些研究成果对于建立土壤微观机制与宏观现象之间的关系将发挥重要作用。就该课题研究，已经发表论文26篇，其中SCI论文22篇，国内A1论文2篇，获得美国专利1项，物质表面性质多参数联合分析系统样机也进一步完善。